閆涓濤，王鈞*，魯順子，曾輝,

1. 北京大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871

深圳市快速城市化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響研究

閆涓濤1，王鈞1*，魯順子1，曾輝1,2

1. 北京大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871

城市化已成為全球土地覆被變化的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。城市化及其引起的土地覆被變化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)具有重要的影響。以快速城市化的典型區(qū)域——深圳市為例，采用遙感影像解譯與實(shí)地生態(tài)調(diào)查相結(jié)合的方法，研究了1986—2015年間城市化引起的土地覆被變化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳密度和碳儲(chǔ)量的影響，旨在加深對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的認(rèn)知，為城市生態(tài)系統(tǒng)碳管理提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果顯示，（1）研究區(qū)城市化過(guò)程中土地覆被變化的主要特征是建設(shè)用地的急劇擴(kuò)張。林地、耕地、園地等在面積減少的同時(shí)，景觀趨于破碎化。（2）研究區(qū)植被和土壤的碳密度呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。研究時(shí)段內(nèi)，植被和土壤的平均碳密度分別減少了約5.1 t?hm-2、11.8 t?hm-2。（3）研究區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：城市化“初始期”以自然植被和農(nóng)業(yè)用地為主的高碳儲(chǔ)量期；城市化“加速期”建設(shè)用地快速擴(kuò)張帶來(lái)的城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量急劇下降；城市化“穩(wěn)定期”城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量逐漸恢復(fù)。（4）研究時(shí)段內(nèi)土地覆被變化造成研究區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)約16.8 t?hm-2的碳損失，占城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的37.7%。雖然城市化總體上導(dǎo)致了城市生態(tài)系統(tǒng)碳密度和碳儲(chǔ)量的減少，但通過(guò)適當(dāng)?shù)某鞘兄脖慌c土壤的碳管理措施可以使城市生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)逐漸得到恢復(fù)。

城市化；土地覆被變化；城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)；深圳市

世界城市人口已從1900年的2.24億上升到2000年的29億。2011年有超過(guò)50%的世界人口生活在城市，到2050年該比例預(yù)計(jì)達(dá)到70%（UNFPA，2009）。城市化改變了城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，也改變了城市及其周圍地區(qū)的土地覆被類型（Raciti et al.，2014）。到2030年，全球城市建設(shè)用地面積將是2000年的3倍左右（Seto et al.，2012）。雖然城市地區(qū)僅占地球表面的很小一部分（約0.2%~3.0%）（Schneider et al.，2010），但城市化已成為全球環(huán)境變化的主導(dǎo)因素之一（Grimm et al.，2008；Imhoff et al.，2004）。已有研究表明，城市化及其引起的土地覆被變化會(huì)影響城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化（Hutyra et al.，2011），改變區(qū)域生物地球化學(xué)循環(huán)（Pataki et al.，2006），并影響微氣象和區(qū)域氣候（Zhou et al.，2011）。

城市化引起的環(huán)境因素的變化（例如建設(shè)用地的擴(kuò)張、CO2濃度上升、氮沉降、熱島效應(yīng)、人工植被管理等）顯著地改變了城市生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)（Daniel et al.，2013）。其中，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和熱島效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致城市碳儲(chǔ)量下降（Pouyat et al.，2003；Pouyat et al.，2006）。CO2濃度上升、氮沉降和人工植被管理都將提高植被碳固定速率從而導(dǎo)致碳儲(chǔ)量增加（Daniel et al.，2013；Nowak et al.，2002；Zhang et al.，2014）。但城市化引起的環(huán)境變化中土地覆被變化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的影響最為顯著（Zhang et al.，2014）。盡管城市化引起的環(huán)境因素的變化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)影響較為顯著，但是由于城市景觀類型與空間組成較為復(fù)雜，城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)研究面臨著很大的挑戰(zhàn)。例如，城市不同土地覆被類型碳密度隨時(shí)間變化動(dòng)態(tài)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏（Daniel et al.，2013）；影響城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的眾多因素及其相互作用難以量化（Zhang et al.，2014）；該方面的研究方法（包括模型測(cè)算、遙感估算和實(shí)地采樣等）也存在較大不確定性（Yan et al.，2015；Zhang et al.，2012）。

本文以中國(guó)快速城市化的典型區(qū)域——深圳市為例，首先通過(guò)解譯歷史時(shí)期的遙感影像，研究過(guò)去30年（1986—2015）深圳市城市化過(guò)程中土地覆被與景觀格局的時(shí)空變化特征；其次，通過(guò)野外生態(tài)調(diào)查與文獻(xiàn)調(diào)研的方法建立了深圳市主要土地覆被類型的植被與土壤碳密度數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上分析了土地覆被變化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響；最后，討論了深圳市城市生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)管理的有效措施。

1 研究區(qū)概況

深圳市屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均溫度為22.4 ℃，年均降雨量1948 mm，代表性植被類型為熱帶常綠季雨林和南亞熱帶常綠闊葉林，典型的土壤類型為赤紅壤。深圳市在過(guò)去30年間經(jīng)歷了從以農(nóng)業(yè)景觀和自然植被為主到以建設(shè)用地和人工生態(tài)用地為主的城市化過(guò)程。因而，該地區(qū)是研究城市化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)影響的典型區(qū)域。

2 研究方法

2.1 土地覆被類型遙感解譯

本文采用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局提供的30 m分辨率的陸地衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)（https://earthexplorer. usgs.gov/），其中包括6期Landsat TM5數(shù)據(jù)（1986年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年）和1期Landsat 8數(shù)據(jù)（2015年）。根據(jù)對(duì)研究區(qū)植被與土壤碳密度的初步分析，本研究設(shè)定的遙感圖像的分類體系為林地、園地、耕地、城市綠地、水體、灘涂、建設(shè)用地、未利用地8種。采用高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)地調(diào)查的方法，對(duì)7個(gè)時(shí)間點(diǎn)的遙感影像逐期進(jìn)行了解譯與結(jié)果驗(yàn)證。分類結(jié)果表明所有時(shí)期的分類精度均高于85%，處于可接受的水平。

2.2 植被與土壤碳密度值確定

本研究中植被碳密度值主要來(lái)自文獻(xiàn)調(diào)研與實(shí)地補(bǔ)充測(cè)量。其中，自然植被（包括林地、園地、耕地）的碳密度主要采用了深圳市森林資源二類調(diào)查資料計(jì)算所得數(shù)據(jù)（劉偉玲等，2012），城市綠地的碳密度主要采用了廣州建成區(qū)綠地平均碳密度值（史琰，2013），耕地的碳密度主要采用了珠江三角洲地區(qū)農(nóng)田平均碳密度值（朱苑維等，2013）。在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇有代表性的樣地進(jìn)行實(shí)地測(cè)量并計(jì)算了不同土地覆被類型的碳密度，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)相近。

土壤碳密度值主要來(lái)自實(shí)地采樣與文獻(xiàn)調(diào)研。土壤樣品采集主要在2016年4—5月間進(jìn)行，覆蓋了除水體外的所有土地覆被類型。每個(gè)類型各選取10個(gè)樣地（2 m×2 m），在每個(gè)樣地內(nèi)采用梅花布點(diǎn)法（選擇5個(gè)樣點(diǎn)）用土鉆在每點(diǎn)按0~10、10~20、 20~30 cm分層采集表層土壤樣品。將樣品分層混合，經(jīng)風(fēng)干、去根、研磨等處理后，用TOC測(cè)定儀（multi N/C 3100 TOC，德國(guó)耶拿公司）測(cè)定其碳含量。土壤容重用環(huán)刀（100 cm3）測(cè)定。在此基礎(chǔ)上，用式（1）計(jì)算各層土壤碳密度，土壤表層總碳密度為各層碳密度的加和。

式中，D為有機(jī)碳密度（kg?m-2）；C為有機(jī)碳含量（g?kg-1）；β為土壤密度（g?cm-3）；H為土層厚度（cm）。

2.3 景觀格局動(dòng)態(tài)的量算

基于研究區(qū)7個(gè)時(shí)期土地覆被遙感解譯的結(jié)果，本研究選取斑塊數(shù)量（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）和多樣性指數(shù)（SHDI）5個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步量化土地覆被變化的空間特性。由于這些指標(biāo)都是常用的景觀格局指數(shù)，故其計(jì)算公式不再詳述。研究區(qū)景觀格局的計(jì)算運(yùn)用Fragstats 4.2軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市化過(guò)程中土地覆被與景觀格局的變化

3.1.1 土地覆被變化特征

研究時(shí)段內(nèi)深圳市建設(shè)用地與城市綠地面積顯著增加（建設(shè)用地t=15.994，P=0.000；城市綠地t=16.127，P=0.000）（圖1a）。其他土地覆被類型的面積整體呈下降趨勢(shì)（圖1b）。研究時(shí)段內(nèi)，城市建設(shè)用地面積占比從1986年的2.1%上升到2015年的46.9%；城市綠地面積占比從0.2%上升至8.9%；耕地、林地、園地、灘涂、水體和未利用地面積占比分別下降了29.8%、14.2%、4.9%、2.1%、1.7%和0.9%。

1986—1990年，深圳市處于城市化“初始期”，除耕地和水體外，其他土地覆被類型面積均有小幅增加，土地覆被以林地、園地和耕地為主（占總面積80.5%~87.5%）；1990—2005年，深圳市在全市內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)發(fā)，屬于城市化“加速期”，建設(shè)用地和城市綠地面積急速擴(kuò)張，大規(guī)模占用林地、耕地、灘涂和水體，未利用地面積占比也大幅上升，土地覆被以建設(shè)用地、林地、園地及未利用地為主（占總面積82.9%~87.7%）；2005年之后，深圳市城市整體格局基本定型，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張逐步放緩，總體呈現(xiàn)出建成區(qū)密度上升且集中連片分布的特征，同時(shí)城市綠地的保護(hù)和建設(shè)也有所加強(qiáng)，城市化發(fā)展進(jìn)入“穩(wěn)定期”。該時(shí)期土地覆被以建設(shè)用地、林地、園地及城市綠地為主（占總面積91.9%~94.3%）?？傮w來(lái)看，深圳市土地覆被格局經(jīng)歷了從以農(nóng)林景觀為主向以城市景觀為主的變化過(guò)程。從空間上看，深圳市的建設(shè)用地從羅湖區(qū)開(kāi)始向周邊急劇擴(kuò)張，大面積替換原始土地覆被類型（圖2）。到2015年，僅南山區(qū)中北部、福田區(qū)北部、鹽田區(qū)和大鵬新區(qū)等地因山地條件所限保留穩(wěn)定的自然植被覆蓋，其余大部分地區(qū)均已轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地。

圖1 深圳市1986—2015年各土地類型面積變化過(guò)程（以1986年為參照求算比例制圖）Fig. 1 The change of land area from 1986 to 2015 in Shenzhen (vertical coordinates for the current area/1986 area)

3.1.2 土地覆被的景觀格局變化

在本研究時(shí)段內(nèi)深圳市城市景觀格局整體上呈破碎化趨勢(shì)（圖3a）。與1986年相比，2015年研究區(qū)景觀斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)分別增加了23.5%、23.9%和24.4%。景觀的破碎化程度及形狀的復(fù)雜程度增大。蔓延度指數(shù)和多樣性指數(shù)變化不大，景觀的豐富度及優(yōu)勢(shì)斑塊類型的連接性基本穩(wěn)定。

研究時(shí)段內(nèi)建設(shè)用地和城市綠地的斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)均上升，斑塊的連通性增大。林地的斑塊數(shù)量雖略有上升，但其斑塊大小急劇下降。2015年林地的最大斑塊指數(shù)不到1986年的30%，破碎化程度較高。同時(shí)，耕地、園地、灘涂和水體的斑塊數(shù)量和斑塊大小也明顯下降，呈現(xiàn)出不同程度的景觀破碎化（圖3b、c）。此外，除耕地和灘涂外，其他所有土地覆被類型的形狀復(fù)雜程度均增大（圖3d）?？傮w來(lái)看，深圳市建設(shè)用地、城市綠地的斑塊連接性和形狀復(fù)雜程度增大；耕地和灘涂的破碎化程度增大，但形狀復(fù)雜程度降低；林地、園地、水體的破碎化程度及形狀復(fù)雜程度均增大。

圖2 深圳市1986—2015年土地覆被變化圖（去除水體）Fig. 2 The change of land covers from 1986 to 2015 in Shenzhen (except water)

圖3 典型景觀格局指數(shù)變化圖：（a）城市總體的景觀格局指數(shù)變化，包括斑塊數(shù)量（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）和多樣性指數(shù)（SHDI）；（b）不同土地覆被類型的斑塊數(shù)量（NP）變化；（c）不同土地覆被類型的最大斑塊指數(shù)（LPI）變化；（d）不同土地覆被類型的景觀形狀指數(shù)（LSI）變化Fig. 3 Change of number of patch (NP), largest patch index (LPI), landscape shape index (LSI), contagion index (CONTAG) and Shannon diversity index (SHDI) values of all land cover types (a); and NP (b), LPI (c), LSI (d) of each land cover types in Shenzhen from 1986 to 2015

3.2 城市生態(tài)系統(tǒng)碳密度和碳儲(chǔ)量及其空間分布格局的變化特征

3.2.1 不同土地覆被類型的碳密度

深圳市各土地覆被類型的植被碳密度由大到小的順序?yàn)榱值亍⒊鞘芯G地、園地、灘涂和耕地；土壤碳密度由大到小的順序?yàn)闉┩俊⒘值?、城市綠地、園地、耕地、建設(shè)用地和未利用地；城市生態(tài)系統(tǒng)總碳密度由大到小的順序?yàn)榱值?、灘涂、城市綠地、園地、耕地、建設(shè)用地和未利用地。詳見(jiàn)表1。

3.2.2 植被和土壤的碳密度和碳儲(chǔ)量及其空間分布格局

（1）碳密度及其空間分布格局的變化特征

研究期內(nèi)深圳市植被和土壤碳密度均發(fā)生了顯著的改變，而且呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性（圖4、圖5）。單位面積植被和土壤平均碳密度分別損失約5.1 t?hm-2、11.8 t?hm-2。其中，2000—2005年植被和土壤的碳密度損失幅度最大，分別占總損失量的89.6%和67.0%。從空間格局來(lái)看，城市化初始期（1986—1990年）植被和土壤碳密度空間格局基本保持穩(wěn)定；1990—2005年，植被和土壤的高、中碳密度區(qū)均大幅減少，而以建設(shè)用地為主的低碳密度區(qū)增加明顯，其中西部和北部地區(qū)變化最為劇烈；2005—2015年，深圳市整體格局基本定型，僅鹽田區(qū)和大鵬新區(qū)的植被和土壤高碳密度區(qū)降幅較為明顯。

表1 深圳市植被和土壤碳密度參數(shù)表Table 1 Carbon density of vegetation and soil in Shenzhen

圖4 深圳市1986—2015年植被碳密度時(shí)空分布動(dòng)態(tài)圖Fig. 4 Temporal and Spatial Dynamics of vegetation carbon density from 1986 to 2015 in Shenzhen

圖5 深圳市1986—2015年土壤碳密度時(shí)空分布動(dòng)態(tài)圖Fig. 5 Temporal and Spatial Dynamics of soil carbon density from 1986 to 2015 in Shenzhen

（2）研究區(qū)域植被和土壤總碳儲(chǔ)量的變化過(guò)程

1986—2015年間，深圳市植被和土壤碳儲(chǔ)量均經(jīng)歷了先少量上升，再大幅下降，最后趨于平穩(wěn)的3個(gè)階段（圖6）。研究發(fā)現(xiàn)深圳市總碳儲(chǔ)量中植被與土壤碳儲(chǔ)量約分別占據(jù)30%和70%，并且這一比重在城市化過(guò)程中基本保持平穩(wěn)。

圖6 深圳市1986—2015年主要土地覆被類型的植被和土壤碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)圖：（a）植被碳儲(chǔ)量變化；（b）土壤碳儲(chǔ)量變化Fig. 6 Dynamics of vegetation (a) and soil (b) carbon storage for each land cover types from 1986 to 2015 in Shenzhen

（3）研究區(qū)各土地覆被類型植被和土壤碳儲(chǔ)量變化過(guò)程

從植被碳儲(chǔ)量變化過(guò)程來(lái)看，1986—1990年，耕地植被碳儲(chǔ)量減少14.5×104t，林地、灘涂、城市綠地、園地分別增加34.7×104、4.2×104、3.7×104、2.7×104t，植被碳儲(chǔ)量總體上升。主要原因是部分低碳密度的耕地轉(zhuǎn)換為高碳密度的林地。1990—2005年，減少的植被碳儲(chǔ)量中林地占85.8%、耕地占11.1%、灘涂占3.1%，增加的植被碳儲(chǔ)量中城市綠地占89.4%、園地占10.6%。減少的碳儲(chǔ)量（149.2×104t）是增加的（24.3×104t）6倍，因此導(dǎo)致植被碳儲(chǔ)量出現(xiàn)明顯下降。主要原因是低碳密度的建設(shè)用地占用了耕地和林地，植被的碳增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)小于碳損失速度。2005—2015年，城市綠地的植被碳儲(chǔ)量增加約20.1×104t，其余土地類型的植被碳儲(chǔ)量共減少26.9×104t，因此植被碳儲(chǔ)量總體下降，但下降幅度較小。主要原因是城市綠地的高固碳作用有效補(bǔ)償了碳損失，使得城市植被碳儲(chǔ)量逐漸趨于穩(wěn)定。

從土壤碳儲(chǔ)量變化過(guò)程來(lái)看，城市化初始期（1986—1990年）和加速期（1990—2005年）的土壤碳儲(chǔ)量變化過(guò)程及其主要原因均與植被碳儲(chǔ)量一致。2005—2015年，減少的土壤碳儲(chǔ)量中園地占49.2%，灘涂占24.3%，林地占17.6%，耕地占5.1%，未利用地占3.9%，增加的土壤碳儲(chǔ)量中建設(shè)用地占62.0%，城市綠地占38.0%。減少的碳儲(chǔ)量（104.7×104t）高于增加的碳儲(chǔ)量（66.2×104t），因此土壤碳儲(chǔ)量總體減少，但減少幅度較小。主要原因是城市化后仍有一部分碳保存于建設(shè)用地土壤中。2015年，深圳市建設(shè)用地的土壤碳儲(chǔ)量高于除林地外其他土地類型。

3.2.3 城市生態(tài)系統(tǒng)總碳動(dòng)態(tài)

研究期內(nèi)，深圳市生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的變化模式與植被和土壤碳儲(chǔ)量一致。1986—1990年，城市生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量由1175.5×104t增至1272.6×104t。高碳密度區(qū)（65~102 t?hm-2）多分布在山地森林及灘涂地區(qū)；中碳密度區(qū)（15~65 t?hm-2）廣泛分布于南山、寶安、光明、龍崗等農(nóng)業(yè)地區(qū)；低碳密度區(qū)（1~15 t C?hm-2）分布在建設(shè)最早的羅湖、福田兩區(qū)。1990—2005年，總碳儲(chǔ)量急速降至893.2×104t。高碳密度區(qū)面積大量減少，僅大鵬和鹽田兩地保存較完好；中碳密度區(qū)面積也急劇減少；低碳密度區(qū)面積隨著城市開(kāi)發(fā)大規(guī)模增加，廣泛分布在深圳市西部和東北部各地區(qū)。2005—2015年，總碳儲(chǔ)量緩慢降至847.8×104t，高碳密度區(qū)面積進(jìn)一步減少，中碳密度區(qū)面積隨城市綠化建設(shè)略有上升，低碳密度區(qū)連片集中。

4 討論

4.1 城市化引起的土地覆被變化和景觀格局變化對(duì)碳動(dòng)態(tài)的影響

城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)受城市化前、后的土地覆被類型和景觀格局影響較大。深圳市過(guò)去30年間城市化引起的土地覆被變化造成了約1.7 kg?m-2的碳損失，小于美國(guó)南部（2.6 kg?m-2）（Zhang et al.，2012）、英國(guó)和北愛(ài)爾蘭（8±4 kg?m-2）（Cannell et al.，1999）的碳損失。這可能是由于地方政府在城市化快速發(fā)展時(shí)期，大力加強(qiáng)城市綠地建設(shè)和自然植被保護(hù)，有效補(bǔ)償了土地覆被變化造成的碳損失。已有研究表明，城市化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的總體影響是由土地覆被變化過(guò)程中的碳損失與城市化后的碳累積的相對(duì)值大小所決定的（Zhang et al.，2012）。城市化后的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量可通過(guò)緩慢累積恢復(fù)至原有水平。不同城市受不同的氣候條件、植被類型等影響，其碳儲(chǔ)量恢復(fù)所用的時(shí)間不同。目前，深圳市城市化已步入“穩(wěn)定期”。隨著人工管理和環(huán)境變化的逐步推進(jìn)，城市生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)將開(kāi)始逐漸恢復(fù)。但由于各地區(qū)的城市化速度不同，碳恢復(fù)存在明顯的空間差異性。部分老城區(qū)率先進(jìn)入碳增長(zhǎng)階段。

城市化過(guò)程中，不僅土地覆被類型會(huì)發(fā)生改變，城市景觀格局也會(huì)發(fā)生顯著變化，從而對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)產(chǎn)生影響。深圳市在1986—2015年間，建設(shè)用地的斑塊數(shù)量和最大斑塊指數(shù)增大，呈現(xiàn)出集中連片的特征；林地、耕地、園地、灘涂等透水面均呈現(xiàn)出明顯的景觀破碎化，城市中的自然生態(tài)系統(tǒng)受人為干擾更顯著。Robinson et al.（2009）的研究表明，隨著景觀從單個(gè)大斑塊逐漸破碎化，碳儲(chǔ)量以近似對(duì)數(shù)函數(shù)的形式增加。由此可見(jiàn)，破碎化的城市景觀將受到更大的干擾（如溫度、光照、風(fēng)速等環(huán)境因素的改變），從而提高植被碳固定速率，并對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳累積產(chǎn)生正向影響。

4.2 不確定性

本研究結(jié)果的不確定性來(lái)源于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏。通常生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤的碳密度隨著時(shí)間推延呈累積的趨勢(shì)。由于缺乏碳密度連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文采用單一時(shí)點(diǎn)觀測(cè)的植被和土壤的碳密度數(shù)據(jù)分析土地覆被變化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響。類似的問(wèn)題在其他研究中也存在（Yan et al.，2015）。為了分析該限制性因素對(duì)研究結(jié)果造成的影響，通過(guò)搜集深圳市不同時(shí)期的土壤生態(tài)采樣數(shù)據(jù)（胡文君，2008；韓宙等，2013；梁敏國(guó)等，2008），最終匯總出10個(gè)建設(shè)年齡為1~25年（以采樣時(shí)間算）的城市綠地的土壤碳密度數(shù)據(jù)（東湖公園、荔枝公園、洪湖公園、仙湖植物園、蓮花山公園、皇崗公園、中心公園、筆架山公園、市民廣場(chǎng)、兒童樂(lè)園）。經(jīng)測(cè)算，深圳市城市綠地的土壤碳累積速率約為0.8 t?hm-2?y-1，故本研究對(duì)城市綠地土壤的碳補(bǔ)償?shù)墓浪慵s低了0.8×104t（1.3%）。

5 結(jié)論

城市化及其引起的土地覆被和景觀格局變化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)具有顯著影響。本研究探討了1986—2015年間，中國(guó)典型快速城市化區(qū)域（即深圳市）的碳儲(chǔ)量和碳密度隨土地覆被變化而變化的具體情況和模式。深圳市在過(guò)去30年間，經(jīng)歷了從以農(nóng)業(yè)景觀和自然植被為主的土地覆被類型逐漸破碎化、被建設(shè)用地占用到城市綠地逐漸恢復(fù)的完整過(guò)程。其城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)包括城市化“初始期”碳儲(chǔ)量少量上升、“加速期”碳儲(chǔ)量急劇下降、“穩(wěn)定期”碳儲(chǔ)量趨于平穩(wěn)且部分地區(qū)逐漸恢復(fù)3個(gè)階段。研究期內(nèi)深圳市單位面積植被和土壤平均碳密度分別損失約5.1 t?hm-2和11.8 t?hm-2，城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量總體損失約37.7%。

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Impacts of rapid urbanization on carbon dynamics of urban ecosystems in Shenzhen [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(4): 553-560.

YAN Juantao, WANG Jun, LU Shunzi, ZENG Hui. 2017.

Impacts of Rapid Urbanization on Carbon Dynamics of Urban Ecosystems in Shenzhen

YAN Juantao1, WANG Jun1*, LU Shunzi1, ZENG Hui1,2
1. Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China; 2. College of Urban and Environment Sciences, Peking University, Beijing 100871, China

Urbanization has become one of the major drivers of the global land cover change. Urbanization and associated land cover change have significant impacts on carbon dynamics of urban ecosystems. In this study, we took the case of rapid urbanizing region-Shenzhen as the case study area to study the impacts of urbanization and associated land cover change on carbon dynamics of urban ecosystems from 1986 to 2015. The research was carried out based on interpretations of historical remote sensing images and field samples of urban vegetation and soils. The primary objective of this work is to improve understanding of the impacts of urbanization on carbon dynamics of urban ecosystem and providing scientific basis for carbon management of urban ecosystems. The results show that: (1) rapid expansion of urban impervious surface is the main feature of land cover change associated with population urbanization. The areas of forests, cropland, and garden land decreased significantly over the study period, and the patches of them tend to become fragmented; (2) the carbon densities of urban vegetation and soil have complex spatial patterns, and the average values of them decreased about 5.1 t?hm-2and 11.8 t?hm-2, respectively; (3) the change of carbon storage of urban ecosystem in the study area has experienced three stages: in the early period of urbanization, natural vegetation and cropland had the dominant carbon storage; in the middle period of urbanization, the rapid increase of built-up land drove the decrease of carbon storage of urban ecosystems; in the late stage of urbanization, carbon storage of urban ecosystem has been gradually recovering; (4) land cover change had caused the loss about 16.8 t?hm-2, which approximately accounts for 37.7% of the total carbon storage of urban ecosystems in the study area. Although urbanization causes the decreases in carbon density and carbon storage of urban ecosystems, we can take steps in urban vegetation and soil management to recovering the carbon pool of urban ecosystems.

urbanization; land cover change; carbon dynamics of urban ecosystem; Shenzhen

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.002

X144; X171.1

A

1674-5906（2017）04-0553-08

閆涓濤, 王鈞, 魯順子, 曾輝. 2017. 深圳市快速城市化對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(4): 553-560.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41401215）；深圳市孔雀計(jì)劃海外高層次人才技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（KQCX20140521145956269）

閆涓濤（1993年生），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)。E-mail: juantao_yan@126.com

*通信作者。王鈞，E-mail: wangjun@pkusz.edu.cn

2017-02-26